Материал: Polioxialkanoaty_POA__biorazrushaemye_polimery_dlya_meditsiny

ПОБ на 56, ПОБ-со-ПОВ – на 70, бумаги – на 62% от исходных величин.

Разрушение пленок исследовано при различных значениях рН и температуры среды в почвенной болтушке, приготовленной на основе цитратно-фосфатного буфера с соотношением почва:буфер = 1:10 (по весу) (зимогенный титр 1.3 107). Для сравнения использованы пленки из ПОБ и ПОБ-со-ПОВ, содержащего 80 и 20 мол. % оксибутирата и оксивалерата соответственно. Выявлено существенное влияние температуры среды на скорость биодеградации полиоксиалканоатов. При 16–18° в среднем скорость деградации пленок была в 2.0–2.5 раза ниже, чем при 20°; при 26–28° деградация была интенсивнее практически в 2.0–2.5 раза и без выраженной лаг-фазы. Однако при повышение температуры свыше 35° процесс разрушения пленок несколько замедлялся. Вероятно, данная температура ингибировала развитие мезофильной почвенной микрофлоры. Влияния активной реакции среды в изученном диапазоне на скорость разрушения ПОА не зафиксировано.

Скорость разрушения сополимерных пленок в почвенной болтушке, аналогично почве и воде, была выше по сравнению с гомогенным ПОБ. В сополимерах, имеющих более низкие значения всех показателей (Тпл, Сх и Мв), по мере увеличения доли оксивалерата, происходит выравнивание соотношения упорядоченной и неупорядоченной фаз, то есть доля аморфной фазы по сравнению с более кристалличным ПОБ возрастает. Степень кристалличности является наиболее существенным из рассмотренных свойств ПОА, оказывающим влияние на разрушаемость биополимеров.

Таким образом, скорость биодеградации полиоксиалканоатов, помимо температуры среды, существенно зависит от их химического состава. Наличие в составе ПОА в качестве сополимера оксивалерата, оказывая влияние на степень кристалличности материала, ускоряет его деструкцию под воздействием типичной микрофлоры почвы и воды.

С ростом перспектив применения ПОА все большую актуальность приобретает исследование закономерностей разрушаемости ПОА в естественных природных условиях. Тем более, что результаты по разрушаемости ПОА, полученные в модельных лабораторных условиях с использованием чистых микробных культур, выделенных из природных источников, а также под воздействием деполимеризующих ферментов не позволяют предвидеть картину разрушения данного биополимера в природной среде, в многокомпонентных и разнообразных естественных экосистемах.

В естественных природных условиях ПОА разрушаются до конечных продуктов – диоксида углерода и воды, причем процесс происходит довольно быстро. Так, описана полная деградация пленок

191

за три недели в свежей речной воде при температуре 25 (Kusaka, Doi 1999). Разрушение полиоксибутирата и сополимера ПОБ-со-ПОВ (с 10 мол. % валерата) изучено при различной температуре (от 15 до 40°С) в почве (Mergaert et al., 1993). Установлено, что скорость деградации (измеряемая по изменению массы образцов пленок) варьирует от 0.03 до 0.64 % в день в зависимости от типа почвы, химического состава ПОА и температуры. В основном, с увеличением температуры скорость деструкции возрастала, при этом у гетерополимерных пленок она была выше. Процесс разрушения полимеров сильно зависит от их композиции. Так, например, сравнение разрушения полиоксибутирата и его сополимеров бактериями Alcaligenes faecalis показало, что степень эрозии уменьшается в следующем по-

рядке: П(3ОБ-со-4ОБ) (3ОБ) (3ОБ-со-3ОВ) (Doi et all., 1992a, b;

Mukai et all., 1992). Doi изучал биодеградацию микробных сополимеров 3-окисбутирата с 3-оксивалератом П(3ОБ-со-3ОВ) и 3-оксибути- рата с 4-оксибутиратом П(3ОБ-со-4ОБ) в морской воде. Процесс деградации существенно зависел от температуры воды. В ходе деградации пленок на фоне уменьшения массы также снижались прочностные свойства пленок (Doi et all., 1992b).

Динамика разрушения полиоксиалканоатов исследована в реальных природных условиях в лесном пруду Бугач в окрестностях г. Красноярска. Разрушение пленок из ПОА, помещенных в сетчатые полиэтиленовые ловушки и размещенные на глубине 1 м, исследовали в течение нескольких полевых сезонов. Одновременно анализировали состояние экосистемы пруда; определяли сезонную динамику фито- и бактериопланктона, содержание кислорода и температуру воды. На рисунке 5.3 в качестве примера показана одна из кривых, отражающих изменение массы полимерных пленок, экспонированных в пруду.

Рис. 5.3. Пруд Бугач, лето 2001 г. (фото М. И. Гладышева). Справа – динамика убыли массы пленок из ПОБ-со-ПОВ (Волова, неопубикованные данные).

192

На кинетику разрушения ПОА оказывали влияние температура среды, а также состояние экосистемы водоема, определяемое соотношением ее звеньев, в первую очередь, фитопланктона и выраженность «цветения». Тем не менее, аналогично лабораторным экспериментам с почвой и водой, разрушение ПОБ происходило медленнее по сравнению с образцами ПОБ-со-ПОВ (неопубликованные данные Воловой Т. Г.).

При сопоставлении результатов по разрушению полиоксиалканоатов в лабораторных и природных условиях выявлено, что скорость деградации полимерных пленок в лесном пруду на 20–30 % выше по сравнению с разрушением образцов ПОБ и ПОБ-со-ПОВ аналогичного происхождения, состава и свойств при близких значениях температуры среды (20–25°С) в лабораторных модельных водных системах. Это увеличение скорости разрушения, очевидно, связано со свойствами динамичной природной экосистемы (Сергеева, 2000).

Таким образом, процессы деградации ПОА в природных средах и участие в них ПОА-экзодеполимераз исследуется (Kumagai and Doi, 1992a,b; Kumagai et al., 1992; Spyros et al., 1997; Cao et al., 1999). Од-

нако имеющиеся данные по влиянию состава полимеров на скорость их разрушения противоречивы. В одних работах показано, что наиболее быстро разрушаемыми являются сополимеры 3ПОБ-со-4ПОБ по сравнению с гомогенным полиоксибутиратом и сополимерами 3ПОБ- со-3ПОВ (Doi et al., 1992a); в других показано, что скорость разрушения сополимеров 3ПОБ-со-3ПОВ выше по сравнению с ПОБ, а также

3ПОБ-со-4ПОБ (Kanewasa et all., 1994; Abe and Doi, 1999).

5.2. Биодеградация ПОА

в биологических средах in vitro

На сегодняшний день мало изученным остается вопрос о механизме и кинетике биодеградации ПОА в биологических средах. Вместе с тем, эти вопросы являются очень важными для применения саморазрушающихся материалов и изделий в медицине (Пхакадзе, 1990; Розанова, 1999; Amass et al., 1998 и др.).

Саморазрушающиеся медицинские материалы и изделия должны быть не только абсолютно безвредными для организма, а также иметь необходимые механо-физические характеристики. При этом скорость биодеструкции материала должна соответствовать скорости регенеративных процессов в тканях. Поэтому важнейшим моментом для применения биодеструктивных имплантатов является знание механизма и кинетики биодеструкции конкретного материала в конкретных условиях внутренней среды организма. Имеющиеся в литературе немногочисленные данные по биодеструкции ПОА в биологических средах весьма противоречивы. В одних работах пока-

193

зано, что имплантированные животным мононити, полученные из ПОБ и ПОБ-со-ПОВ, не изменяли массы и сохраняли механофизических свойства в течение длительного, до 6–12 месяцев, времени (Miller and Williams. 1987). В других работах зафиксировано, что в течение года масса пленочных образцов ПОА и иных конструкций может уменьшиться от 30 до 80 % от исходной (Duvernoy et al., 1995; Lukinska et al., 1997).

С целью выявления механизма деградации полиоксиалканоатов исследуется их стабильность в модельных системах in vitro при различных значения рН и температуры среды, солености, а также в других условиях. Используют для этого полимеры различного химического состава, имеющие разные исходные значения молекулярной массы и кристалличности, а также полимерные изделия (пленки, нити) различной формы и структуры (степень пористости, свойства поверхности). Как правило, показателями деструкции ПОА и изделий из них служат: уменьшение молекулярной массы и степени кристалличности полимера, а также собственно изменение общего веса полимерных изделий и их прочностных свойств.

В одной из ранних работ по гидролитической деградации ПОА (Doi et al., 1992) исследованы полимерные пленки из ПОБ и сополимеров (3ПОБ/3ПОВ и 3ПОБ/4ПОБ), при экспозиции их в фосфатном буфере (рН 7.4) при 37 и 70°С. В течение 200 сут. не отмечено уменьшения массы всех типов пленок, однако молекулярный вес материала уменьшался; особенно значительно – сополимеров 3ПОБ- со-4ПОБ (при 70°С – практически наполовину от исходного значения). Сопоставление скорости гидролитической деструкции пленок, изготовленных из ПОБ и смесей полиоксибутирата с тетраметилцеллюлозой (ТМЦ) при экспонировании в фосфатном буфере (рН 7.0 и 37°С) показало, что масса пленок из ПОБ практически не изменялась, в то время как композитные пленки деградировали. На снижение величины Mw влияло содержание ТМЦ и длительность эксперимента. В течение 100 сут. Mw материала композитных пленок «ПОБТМЦ» (содержание последней 30 мол. %) снизилась примерно на 30 %; параллельно отмечено падение модуля Юнга и прочности на разрыв (Lootz et al., 1998). Недавно подтверждено отсутствие химического гидролиза поли-3-оксибутирата в небиологических средах (Martin et al., 1999). В течение 10 недель при рН 7.4 отмечено крайне незначительное изменение молекулярной массы полимера без снижения общего веса.

Детальное исследование динамики прочностных свойств моножильных нитей из ПОБ и сополимеров ПОБ-со-ПОВ выполнено Н. Миллером в соавторстве с Д. Виллиамсом (Miller, Williams, 1987). Авторы показали, что экспериментальные образцы сополимерных нитей, независимо от величины включения оксивалерата (исследо-

194